齒輪量儀的現(xiàn)狀與發(fā)展

齒輪量儀是一個(gè)內(nèi)含較為豐富的概念，它不僅包括檢測各種齒輪的儀器，也將檢測蝸輪、蝸桿、齒輪刀具、傳動(dòng)鏈的儀器附屬在其中。齒輪種類繁多，幾何形狀復(fù)雜，表征其誤差的參數(shù)眾多。所以，齒輪量儀的品種也很多。
齒輪測量技術(shù)及其儀器的研究已有近百年的歷史，其發(fā)展歷程如圖所示，在這不短的發(fā)展歷程中，有6件標(biāo)志性事件：
(1)1923年，德國Zeiss公司在世界上首次研究成功一種稱為"Toooth Surface Tester"的儀器，實(shí)際上是機(jī)械展成式萬能漸開線檢查儀。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)，Zeiss于1925年推出了實(shí)用性儀器，并投放市場。該儀器的長度基準(zhǔn)采用了光學(xué)玻璃線紋尺，其線距為1微米。該儀器的問世，標(biāo)志著齒輪精密測量的開始，在我國得到廣泛使用的VG450就是該儀器的改進(jìn)型。
(2)50年代初，機(jī)械展成式萬能螺旋線標(biāo)準(zhǔn)儀的出現(xiàn)，標(biāo)志著全面控制齒輪質(zhì)量成為現(xiàn)實(shí)。
(3)1965年，英國的R·Munro博士研制成功光柵式單嚙儀，標(biāo)志著高精度測量齒輪動(dòng)態(tài)性能成為可能。
(4)1970年，以黃潼年為主的中國工程技術(shù)人員研制開發(fā)的齒輪整體誤差測量技術(shù)，標(biāo)志著運(yùn)動(dòng)幾何法測量齒輪的開始。
(5)1970年，美國Fellow公司在芝加哥博覽會(huì)展出Microlog50，標(biāo)志著數(shù)控齒輪測量中心的開始。
(6)80年代末，日本大阪精機(jī)推出了基于光學(xué)全息原理的非接觸齒面分析機(jī)PS-35，標(biāo)志著齒輪非接觸測量法的開始。

圖1 齒輪測量技術(shù)及其儀器的發(fā)展歷程

整體上考察過去一個(gè)世紀(jì)里齒輪測量技術(shù)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)在測量原理方面，實(shí)現(xiàn)了由"比較測量"到"嚙合運(yùn)動(dòng)測量"，直至"模型化測量"的發(fā)展；
(2)在實(shí)現(xiàn)測量原理的技術(shù)手段上，歷經(jīng)了"以機(jī)械為主"到"機(jī)電結(jié)合"，直至當(dāng)今的"光-機(jī)-電"與"信息技術(shù)"綜合集成的演變；
(3)在測量結(jié)果的表述與利用方面，歷經(jīng)了"指示表加目視讀取"到"記錄儀器記錄加人工研判"，直至"計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析并將測量結(jié)果反饋到制造系統(tǒng)"的飛躍。與此同時(shí)，齒輪量儀經(jīng)歷了從單品種單參數(shù)的儀器(典型儀器有單盤漸開線檢查儀)、單品種多參數(shù)的儀器(典型儀器有齒形齒向檢查儀)到多品種多參數(shù)儀器(典型儀器有齒輪測量中心)的演變。

70年代以前的近50年內(nèi)，世界上已開發(fā)出測量齒廓、螺旋線、齒距等基本參數(shù)的各種類型、各種規(guī)格的機(jī)械展成式儀器。這些儀器借助一些精密機(jī)構(gòu)形成指定標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，然后與被測量進(jìn)行比較，從而獲得被測誤差的大小。世界上曾開發(fā)出多種機(jī)械式漸開線展成機(jī)構(gòu)，如單盤式、圓基杠桿式、靠模式等。其中以圓盤杠桿式應(yīng)用最廣，屬于這一類的儀器有：Zeiss VG450、Carl Mahr890和891S、MAAG SP60和HP100、大阪精機(jī)GC-4H和GC-6H以及哈爾濱量具刃具廠的3201。對(duì)齒廓誤差測量而言，機(jī)械展成式測量技術(shù)僅限于漸開線齒廓誤差測量上。對(duì)非漸開線齒輪的端面齒厚測量，采用展成法測量是很困難的，因?yàn)檎钩蓹C(jī)構(gòu)太復(fù)雜并缺乏通用性。對(duì)精確的螺旋展成機(jī)構(gòu)而言，主要采用正弦尺原理，只是如何將正弦尺的直線運(yùn)動(dòng)精確地轉(zhuǎn)換為被測工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式各不相同，這種機(jī)構(gòu)在滾刀螺旋線測量上應(yīng)用最為典型，如德國Fette公司生產(chǎn)的UWM型滾動(dòng)測量儀、Zeiss廠生產(chǎn)的萬能滾動(dòng)測量儀、前蘇聯(lián)BHИИ設(shè)計(jì)的萬能型滾動(dòng)測量儀、意大利Samputensili廠的SU-130型滾刀測量儀、美國Michigan公司生產(chǎn)的萬能滾刀測量儀以及Klingelberg公司的PWF250/300。70年代前，機(jī)械展成式測量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，并在生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)受了考驗(yàn)。盡管這樣，也存在一些不足之處：其測量精度仍依賴于展成機(jī)構(gòu)的精度，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，柔性較差，且測量一個(gè)齒輪需多臺(tái)儀器。迄今，基于這些技術(shù)的儀器仍是我國一些工廠檢驗(yàn)齒輪的常用工具。

1970年是齒輪測量技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。齒輪整體誤差測量技術(shù)和齒輪測量機(jī)(中心)的出現(xiàn)解決了齒輪測量領(lǐng)域的一個(gè)難題，即在一臺(tái)儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。這兩項(xiàng)技術(shù)雖然都基于現(xiàn)代光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，但走上了不同的技術(shù)路線。齒輪整體誤差測量技術(shù)是從綜合測量中提取單項(xiàng)誤差和其它有用信息。經(jīng)過30年的完善與推廣，齒輪整體誤差測量方法在我國已發(fā)展成為傳統(tǒng)元件的運(yùn)動(dòng)幾何測量法。其基本思想是將被測對(duì)象作為一個(gè)剛性的功能元件或傳動(dòng)元件與另一標(biāo)準(zhǔn)元件作嚙合運(yùn)動(dòng)，通過測量嚙合運(yùn)動(dòng)誤差來反求被測量的誤差。運(yùn)動(dòng)幾何測量法的鮮明特點(diǎn)是形象地反映了齒輪嚙合傳動(dòng)過程并精確地揭示了齒輪單項(xiàng)誤差的變化規(guī)律以及誤差間的關(guān)系，特別適合齒輪工藝誤差分析和動(dòng)態(tài)性能預(yù)報(bào)。采用這種方法的儀器的優(yōu)點(diǎn)是測量效率高，適用于大批量生產(chǎn)中的零件檢測。典型儀器是成都工具研究所生產(chǎn)的CZ450齒輪整體誤差測量儀、CSZ500錐齒輪測量機(jī)和CQB700擺線齒輪測量儀。而齒輪測量中心采用坐標(biāo)測量原理，實(shí)際上是圓柱(極)坐標(biāo)測量機(jī)，"坐標(biāo)測量"實(shí)質(zhì)是"模型化測量"。對(duì)齒輪而言，模型化的坐標(biāo)測量原理是將被測零件作為一個(gè)純幾何體(相對(duì)"運(yùn)動(dòng)幾何法"而言)，通過測量實(shí)際零件的坐標(biāo)值(直角坐標(biāo)、柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)等)，并與理想形體的數(shù)學(xué)模型作比較，從而確定被測量的誤差。坐標(biāo)測量法的特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，主機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度很高。坐標(biāo)法測量齒輪的思想早已有之，如用萬能工具顯微鏡與分度頭的組合也可用來測量齒輪。但是，這種靜態(tài)測量方式不僅效率低，且測量精度得不到保證。現(xiàn)代光電技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程、精密機(jī)械等技術(shù)的發(fā)展才真正為坐標(biāo)測量法顯示其優(yōu)越性提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。迄今已有美國、德國、日本、瑞士、中國、意大利等幾個(gè)國家生產(chǎn)CNC齒輪測量中心，國外的典型產(chǎn)品是M＆M公司的3000系列、Klingelberg的P系列；國產(chǎn)的典型產(chǎn)品是成都工具研究所的CGW300臥式測量中心和哈爾濱量具刃具廠的3903型齒輪測量中心。各國的齒輪測量中心雖然原理上大同小異，但實(shí)現(xiàn)方式卻存在一定差距。主要表現(xiàn)在：
(1)在測量傳感器等方面，雖然測角一般采用高精度圓光柵，但測長因被測對(duì)象不同而有所差異。精度要求很高的齒輪或軸向尺寸很長的工件等，一般采用雙頻(或單頻)激光干涉儀作長度基準(zhǔn)(如測量漸開線或螺旋線樣板等)；而其它情況，則采用高精度長光柵。
(2)在機(jī)械系統(tǒng)的精度方面，高精度的軸承是必須的；而直線導(dǎo)軌的精度有靠機(jī)械精度保證的，也有采用誤差修正技術(shù)達(dá)到的。
(3)在數(shù)控系統(tǒng)方面，70年代常為NC開環(huán)控制；80年代后，全為CNC控制，大多采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。目前已有采用交流伺服系統(tǒng)或直線電機(jī)的。
(4)在測頭方面，有電感式的，也有光柵式的；有一維的，也有三維的，甚至有剛性的。剛性測頭是不帶測微傳感器的。若采用剛性測頭，則儀器通常是專用的。

齒輪測量中心一般由主機(jī)、CNC數(shù)控單元、數(shù)據(jù)采集單元、機(jī)間通訊接口、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件等部分組成。當(dāng)今最新的CNC齒輪測量中心的主要特點(diǎn)是：①性能上是高效、高精度、易操作。所采取的措施有精密機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)、32位的CNC4-5軸數(shù)控系統(tǒng)、直線電機(jī)、三維測頭和誤差修正技術(shù)。②在功能上，包括齒輪(內(nèi)、外)、齒輪刀具(滾刀、插齒刀、剃齒刀)、錐齒輪、蝸輪、蝸桿、螺桿、凸齒輪、拉刀等回轉(zhuǎn)類零件的主要誤差項(xiàng)目測量；軸類零件的形位公差測量；強(qiáng)大的分析功能，如接觸分析、工藝誤差分析、齒根形狀分析、參數(shù)反求等；可耦合到加工系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。③在可維修性方面，能故障自診斷、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程故障診斷。④可升級(jí)性，包括軟件的可升級(jí)和硬件的可升級(jí)。

與機(jī)械展成式測量儀器相比，CNC齒輪測量中心的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的，其質(zhì)的飛躍是為任意形狀的齒廓測量提供了可能，而不僅僅局限于漸開線或直線齒廓。錐齒輪、K蝸桿(滾刀)、C蝸桿(滾刀)的測量就是明證。CNC齒輪測量中心為測控非線性螺旋曲面提供了工具。
90年以來，在世界范圍內(nèi)，齒輪測量技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了幾股值得注意的現(xiàn)象：①齒輪整體誤差測量技術(shù)與齒輪坐標(biāo)測量技術(shù)合二為一。成都工具研究所推出了既有標(biāo)準(zhǔn)蝸桿又有測頭的齒輪測量機(jī)CZN450，而國外的CNC齒輪測量中心也能給出"虛擬整體誤差"。②齒輪測量中心與三坐標(biāo)測量機(jī)的合二為一，如美國TSK公司的Rdaiance和Process Equipement Company的ND430。③功能測試與分試測試的合二為一。簡化齒輪測量是發(fā)展趨勢(shì)，齒輪整體誤差測量儀因高效率地給出齒輪全信息而被世界接受。
    展望未來，齒輪量儀相關(guān)的研發(fā)重點(diǎn)是：齒輪網(wǎng)絡(luò)化測量技術(shù)；基于實(shí)測結(jié)果的齒輪性能虛擬分析技術(shù)(智能配對(duì)、動(dòng)力學(xué)性能預(yù)報(bào)等)；齒輪整體誤差測量技術(shù)(指標(biāo)量化、性能優(yōu)化等)；齒輪誤差的智能分析技術(shù)；齒輪統(tǒng)計(jì)誤差概念體系的建立及其相應(yīng)的測量技術(shù)；生產(chǎn)現(xiàn)場的齒輪快速測量與分析技術(shù)(目前ITW的Model4823為450～600件/時(shí)；目標(biāo)：1000件/時(shí))；精密機(jī)械、光電技術(shù)、微電子技術(shù)、軟件工程等技術(shù)在齒輪上的應(yīng)用。


[ 本帖最后由 duomeiti 于 2008-10-12 23:30 編輯 ]